Warum muss ein Short vor arithmetischen Operationen in C und C ++ in ein int konvertiert werden?

Aus den Antworten, die ich aus dieser Frage erhalten habe , geht hervor, dass C ++ diese Anforderung für die Konvertierung shortin intbei der Ausführung von arithmetischen Operationen von C geerbt hat . Darf ich Ihnen überlegen, warum dies überhaupt in C eingeführt wurde? Warum nicht einfach diese Operationen als short?

Zum Beispiel ( entnommen aus dem Vorschlag von dyp in den Kommentaren ):

short s = 1, t = 2 ;
auto  x = s + t ;

xwird Typ von int haben .

Wenn wir uns die Gründe für den internationalen Standard - Programmiersprachen - C im Abschnitt 6.3.1.8 Übliche arithmetische Konvertierungen ansehen , heißt es ( Hervorhebung meiner in Zukunft ):

Die Regeln im Standard für diese Konvertierungen sind geringfügige Änderungen gegenüber denen in K & R: Die Änderungen berücksichtigen die hinzugefügten Typen und die werterhaltenden Regeln. Es wurde eine explizite Lizenz hinzugefügt, um Berechnungen in einem „breiteren“ Typ als unbedingt erforderlich durchzuführen, da dies manchmal zu kleinerem und schnellerem Code führen kann, ganz zu schweigen von der richtigen Antwort häufiger . Berechnungen können auch in einem "engeren" Typ nach der Als-ob-Regel durchgeführt werden, solange das gleiche Endergebnis erzielt wird. Explizites Casting kann immer verwendet werden, um einen Wert in einem gewünschten Typ zu erhalten

Abschnitt 6.3.1.8 des Entwurfs der C99-Norm behandelt die üblichen arithmetischen Konvertierungen, die auf Operanden arithmetischer Ausdrücke angewendet werden, z. B. Abschnitt 6.5.6 Additive Operatoren lautet:

Wenn beide Operanden vom arithmetischen Typ sind, werden die üblichen arithmetischen Konvertierungen für sie ausgeführt.

Einen ähnlichen Text finden wir auch in Abschnitt 6.5.5 Multiplikative Operatoren . Im Fall eines kurzen Operanden werden zuerst die Ganzzahl- Heraufstufungen aus Abschnitt 6.3.1.1 Boolescher Wert, Zeichen und Ganzzahlen angewendet , der besagt:

Wenn ein int alle Werte des ursprünglichen Typs darstellen kann, wird der Wert in einen int konvertiert. Andernfalls wird es in ein vorzeichenloses int konvertiert. Diese werden als Integer-Promotions bezeichnet . ⁴⁸⁾ Alle anderen Typen bleiben durch die ganzzahligen Aktionen unverändert.

Die Diskussion aus dem Abschnitt 6.3.1.1der Begründung oder des internationalen Standards - Programmiersprachen - C über ganzzahlige Beförderungen ist tatsächlich interessanter. Ich werde b / c selektiv zitieren. Es ist zu lang, um sie vollständig zu zitieren:

Die Umsetzung fiel in zwei große Lager, die als nicht signierte Erhaltung und Werterhaltung charakterisiert werden können .

[...]

Der Ansatz der vorzeichenlosen Aufbewahrung erfordert die Heraufstufung der beiden kleineren vorzeichenlosen Typen auf vorzeichenlose int. Dies ist eine einfache Regel und ergibt einen Typ, der von der Ausführungsumgebung unabhängig ist.

Der werterhaltende Ansatz erfordert das Heraufstufen dieser Typen auf signiertes int, wenn dieser Typ alle Werte des ursprünglichen Typs ordnungsgemäß darstellen kann, und ansonsten das Heraufstufen dieser Typen auf vorzeichenloses int. Wenn also die Ausführungsumgebung short als etwas kleineres als int darstellt, wird unsigned short zu int; Andernfalls wird int ohne Vorzeichen.

Dies kann in einigen Fällen zu unerwarteten Ergebnissen führen, wie das inkonsistente Verhalten der impliziten Konvertierung zwischen vorzeichenlosen und größeren vorzeichenbehafteten Typen zeigt. Es gibt noch viele weitere Beispiele dafür. Obwohl dies in den meisten Fällen dazu führt, dass die Vorgänge wie erwartet funktionieren.

Dies ist weniger ein Merkmal der Sprache als vielmehr eine Einschränkung der physischen Prozessorarchitekturen, auf denen der Code ausgeführt wird. Der intTyper in C entspricht normalerweise der Größe Ihres Standard-CPU-Registers. Mehr Silizium nimmt mehr Platz und mehr Leistung in Anspruch, sodass in vielen Fällen nur mit den Datentypen "natürliche Größe" gerechnet werden kann. Dies ist nicht allgemein gültig, aber die meisten Architekturen haben immer noch diese Einschränkung. Mit anderen Worten, wenn zwei 8-Bit-Zahlen hinzugefügt werden, geschieht im Prozessor tatsächlich eine Art 32-Bit-Arithmetik, gefolgt von einer einfachen Bitmaske oder einer anderen geeigneten Typkonvertierung.

shortund charTypen werden von der Standardart "Speichertypen" berücksichtigt, dh Unterbereiche, mit denen Sie Platz sparen können, die Ihnen jedoch keine Geschwindigkeit verschaffen, da ihre Größe für die CPU "unnatürlich" ist.

Auf bestimmten CPUs ist dies nicht der Fall, aber gute Compiler sind klug genug zu bemerken, dass Sie die unsigned char -> intKonvertierung nicht durchführen müssen, wenn Sie beispielsweise einem vorzeichenlosen Zeichen eine Konstante hinzufügen und das Ergebnis in einem vorzeichenlosen Zeichen speichern . Zum Beispiel mit g ++ der Code, der für die innere Schleife von generiert wurde

void incbuf(unsigned char *buf, int size) {
    for (int i=0; i<size; i++) {
        buf[i] = buf[i] + 1;
    }
}

ist nur

.L3:
    addb    $1, (%rdi,%rax)
    addq    $1, %rax
    cmpl    %eax, %esi
    jg  .L3
.L1:

Hier sehen Sie, dass eine vorzeichenlose Anweisung zum Hinzufügen von Zeichen ( addb) verwendet wird.

Das gleiche passiert, wenn Sie Ihre Berechnungen zwischen kurzen Ints durchführen und das Ergebnis in kurzen Ints speichern.

Die verknüpfte Frage scheint es ziemlich gut abzudecken: Die CPU tut es einfach nicht. Bei einer 32-Bit-CPU sind die nativen arithmetischen Operationen für 32-Bit-Register eingerichtet. Der Prozessor arbeitet lieber in seiner bevorzugten Größe, und für Operationen wie diese ist das Kopieren eines kleinen Werts in ein Register mit nativer Größe billig. (Für die x86-Architektur werden die 32-Bit-Register so benannt, als wären sie erweiterte Versionen der 16-Bit-Register ( eaxto ax, ebxto bxusw.); siehe x86-Integer-Anweisungen ).

Für einige extrem gebräuchliche Operationen, insbesondere Vektor / Float-Arithmetik, kann es spezielle Anweisungen geben, die mit einem anderen Registertyp oder einer anderen Registegröße arbeiten. Für so etwas wie eine kurze Zeit hat das Auffüllen mit (bis zu) 16 Bit Nullen nur sehr geringe Leistungskosten, und das Hinzufügen spezieller Anweisungen ist wahrscheinlich weder Zeit noch Platz auf dem Würfel wert (wenn Sie wirklich physisch wissen möchten, warum; ich bin es Ich bin mir nicht sicher, ob sie tatsächlich Platz beanspruchen würden, aber es wird viel komplexer.